Forschung: Spektrum mobiler fraktionaler Anregungen in Quanten-Spin-Eis

Quanten-Spin-Eis bezeichnet eine Klasse von stark frustrierten Magneten auf dem Pyrochlor-Gitter. In Spin-Eis erzeugt die Kombination von Gitterstruktur und Spin-Bahn-Kopplung einen hochentarteten klassischen Grundzustand, dessen fraktionale Anregungen als magnetische Monopole charakterisiert werden können. Quanteneffekte überführen den Grundzustand in eine U(1)-Quantenspinflüssigkeit, und die Monopol-Anregungen werden mobil.

Wir haben die Quantendynamik von fraktionalen Anregungen in Quanten-Spin-Eis studiert, mit Fokus auf die Zustandsdichte im Zwei-Monopol-Sektor. Diese kann mit dem (mittels Neutronenstreuung messbaren) impuls-integrierten dynamischen Spin-Strukturfaktor in Verbindung gebracht werden. Wir haben diese Zustandsdichte sowohl  numerisch berechnet als auch analytisch im Rahmen eines Hüpfproblems auf einem Husimi-Kaktus, welches den Konfigurationsraum beschreibt, gelöst. Unsere Resultate demonstrieren, dass Monopol- und Eich-Freiheitsgrade gleichberechtigt behandelt werden müssen, und stellen ein neues Beispiel für dimensionale Transmutation dar.

M. Udagawa and R. Moessner,
Spectrum of itinerant fractional excitations in quantum spin ice,
Phys. Rev. Lett. 122, 117201 (2019) (arXiv)